Amélioration des méthodes de prédétermination des débits de référence d'étiage en sites peu ou pas jaugés

Improvement of the predetermination methods of low-flow characteristics at ungauged and few gauged sites

• Auteur / Autrice : Clotaire Catalogne
• Direction : Michel Lang, Éric Sauquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, hydrologie
• Date : Soutenance le 11/12/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Lyon-Villeurbanne
• Jury : Président / Présidente : Anne-Catherine Favre Pugin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christel Prudhomme, Martin Gerbaux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Gille, Pierre Ribstein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cours d'eau -- Jaugeage

Mesures hydrauliques

Mots clés libres

Etiage

Régionalisation

Jaugeages épisodiques

Low-flow

Regionalisation

Spot gauging

Résumé

Cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution scientifique et technique à la problématique opérationnelle visant l'évaluation de la ressource en eau disponible en période d'étiage. Cet état des lieux constitue en effet un pré-requis indispensable à toute action de gestion destinée à concilier et équilibrer les différents usages à l'échelle du bassin versant. Il est alors essentiel de tenir compte des particularités du milieu en question pour adapter les différents dispositifs de gestion au contexte hydro-climatique local. A cet égard, l'indicateur statistique retenu par la réglementation française pour caractériser l'état de la ressource en période de basses eaux correspond au débit moyen mensuel minimum annuel de fréquence quinquennale sèche (noté QMNA5). Ce dernier constitue donc notre principal objet d'étude. Dans l'idéal, la détermination d'un tel débit de référence requiert néanmoins un suivi des débits en continu sur une période suffisamment longue pour constituer une archive statistiquement exploitable et n'est par conséquent possible qu'au droit d'un nombre limité de stations hydrométriques. Ailleurs il est alors nécessaire de faire appel à des techniques d'estimation que l'on souhaite aussi fiables que possible. Cette problématique offre encore à l'heure actuelle de nombreuses perspectives de recherche auxquelles cette thèse, en s'inscrivant dans la continuité de travaux analogues réalisés ces dernières années aussi bien en France qu'à l'étranger (décennie PUB), tente d'apporter quelques éléments de réponse et de réflexion. Au cours de ces travaux nous nous sommes ainsi donnés pour objectif d'élaborer et d'optimiser, sur la base des techniques existantes, un cadre méthodologique cohérent adapté à l'estimation du QMNA5 et passant notamment par la valorisation de l'ensemble de l'information à caractère hydrologique disponible localement le long du réseau hydrographique, que ce soit sous la forme de jaugeages épisodiques ou de chroniques courtes. Cet effort d'exhaustivité et de synthèse, s'il n'est pas tout à fait novateur, reste assez peu courant et constitue probablement l'un des principaux points forts de ce travail. Parallèlement et quelle que soit l'approche d'estimation envisagée, nous nous sommes constamment attachés à fournir une indication sur la fiabilité de chaque valeur estimée au travers d'un intervalle de confiance. Bien qu'apparaissant comme un critère essentiel pour apprécier la validité des résultats obtenus, la détermination d'une incertitude encadrant les valeurs estimées s'avère le plus souvent négligée dans la littérature scientifique relative à la régionalisation de variables hydrologiques ; cette démarche apparaît ainsi comme le second point fort de ces travaux. Pour répondre à ces objectifs, les modalités optimales d'estimation du QMNA5 ont été identifiées au travers d'une procédure systématique de validation croisée et finalement appliquées pour notamment aboutir à une cartographie nationale du QMNA5 spécifique en tout point du réseau hydrographique. A l'issue de cette application, l'un des résultats présentant sans doute le plus d'intérêt passe par la comparaison des performances d'estimation selon la quantité d'information disponible au site cible. Celle-ci montre bien que la valorisation d'une information hydrologique locale, même très fragmentaire, est susceptible d'accroître de manière significative la fiabilité des estimations obtenues par rapport à une estimation en sites non jaugés. Bien entendu le gain de performance est d'autant plus intéressant que la quantité de données disponible est importante. Ainsi l'exploitation de chroniques courtes apparaît logiquement comme plus avantageuse que la valorisation de données de jaugeages.

Estimating water availability along the river network is a pre-requirement for water management purposes before defining water allocation at catchment scale. In France, rules for water allocation is partly based on QMNA5, the annual minimum monthly flow with a return period of 5 years ; QMNA5 is derived from time series with extended records of natural or naturalized discharges at gauged sites. In most cases, data is not warranted. Three contexts can be identified: (i) gauged site with short records, (ii) site with spot gauging data and (iii) no data available.This thesis aims at developing a general framework for estimating QMNA5 by using all the hydrological data available in the neighbouring of the location of interest (including short discharge records and spot gauging data). Different methods and strategies were adapted to data availability and tested on a large dataset. Their efficiency and sensitivity to the data collection strategy, the definition of neighbouring,… were assessed by cross validation and uncertainties were provided through a confidence interval. Lastly the most efficient methods for deriving QMNA5 are used to draw a national map with estimates along the main river network.In conclusion, one of most significant result can be illustrated by comparing the efficiency of the estimates according to the quantity of information available on the target location. Results show that a significant gain in accuracy in the estimated QMNA5 values, even when using only a few sporadic measurements to supplement regional information. The improvement depends on the amount of available data and the use of short record is logically more advantageous than the valuation of spot gauging data. Nevertheless, spot gauging data may offer obvious advantages in terms of monitoring at locations where embedment of a permanent gauging station is uneasy. Therefore using spot gauging data can be seen as a possible cost-effective trade-off to supply a reliable enough estimation for particular location of interest.